Sn-Al2O3和Bi-Al2O3粒子电极的制备及其电催化还原CO2产甲酸性能研究

作     者：卓孟宁 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王立章

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：电还原CO2产甲酸 粒子电极 Sn-Al2O3 Bi-Al2O3 

摘      要：电化学还原CO产甲酸是解决温室效应和能源短缺问题的一个很有前途的策略,它能在温和条件下运行,并易于与可再生电化学能源系统耦合,使得可再生电能转化为易存储的化工原料甲酸,并且甲酸广泛用于化工行业,因此电还原CO产甲酸的研究意义重大。尽管现有锡基铋基电极的催化效能以及稳定性有了一定的进步,但仍存在甲酸时空产率低以及电耗成本高等问题,通过在载体上负载活性组分形成催化粒子电极能够扩大反应接触面积从而解决现存研究瓶颈,而粒子电极应用在电还原CO产甲酸所做的研究少有涉及,因此在电还原CO反应器构型上操纵活性组分-载体的研究大有可为。本研究制备AlO负载锡基铋基活性组分形成粒子电极,并探究其电催化还原CO产甲酸性能及机理,以期为CO高效电化学资源化提供技术支撑和理论指导;所得结论如下:(1)采用浸渍焙烧法制得Sn-AlO粒子电极并将其应用于电还原CO产甲酸的实验中,从电还原CO产甲酸法拉第效率、能量效率、产速、电耗以及电流密度等实验结果评估了Sn-AlO粒子电极电还原CO产甲酸的能力,其中Sn-1/AlO粒子电极电还原CO产甲酸的表现较为突出,在-1.8 V ***电势条件下,能够获得79%的产甲酸法拉第效率,70.35μmol/(h·cm)的甲酸产速以及6.95k W·h/kg的产甲酸电耗,比无粒子电极有明显优势,EDS以及XRD测试结果表明此电极高效的电还原产甲酸能力得益于负载在活性AlO上的Sn O活性组分,但是Sn-AlO粒子电极在产甲酸能量效率以及甲酸的时空产率等方面仍有上升空间,因此本论文选取铋基催化剂制得Bi-AlO粒子电极并用于电还原CO产甲酸实验。相比Sn-AlO粒子电极良好的产甲酸能力表现,Bi-AlO粒子电极进一步提升了电还原CO产甲酸的效果,并且降低了电催化反应所需的过电位,在-1.7 V ***电势条件下,Bi-D/AlO粒子电极产甲酸法拉第效率高达85%,甲酸产速提升至162.4μmol/(h·cm),产甲酸电耗维持在6.21 k W·h/kg,此外,产甲酸能量效率上升到35%,极大的提高了甲酸的时空产率,EDS以及XRD测试结果也证实了此电极成功将BiO活性组分负载在活性AlO上。Sn-AlO粒子电极和Bi-AlO粒子电极均显著降低了电还原CO产甲酸的电耗成本,进而提高了碳减排的效率,为减少温室效应以及能源危机提供了研究策略。(2)从电化学性能测试,物相分析测试以及稳定性实验等角度探讨了Sn-AlO粒子电极和Bi-AlO粒子电极具备高效电还原CO产甲酸性能的机理。LSV、CV以及EIS表征分析表明,Sn-1/AlO粒子电极和Bi-D/AlO粒子电极在电还原CO时能够获得较大的反馈电流,拥有广阔的电化学活性表面积以及较小的Nyquist等效电阻;此外,通过对Sn-1/AlO粒子电极和Bi-D/AlO粒子电极进行Tafel曲线分析,对电还原CO产甲酸的反应路径做出了合理推断。二者优异的电催化能力可能得益于SEM和XRD观察到的纳米级尺寸Sn-1/AlO粒子电极的裂层状形貌和Bi-D/AlO粒子电极的规则的块状基底以及松针状形貌。进一步考察了Sn-1/AlO粒子电极和Bi-D/AlO粒子电极的电还原CO产甲酸的稳定性,结果表明两电极在12 h长时间电解实验中仍能维持60%以上的高效产甲酸法拉第效率。该论文有图31幅,表14个,参考文献114篇。